電動汽車空調——熱泵冷暖雙模式是未來

跳上剛剛打到的滴滴。

「好熱！」

司機趕緊抱歉：「停車開空調太費油，馬上給你開開，這就涼快下來，很快的」

這是再熟悉不過的一個場景，趴活兒滴滴師傅和乘客的對話，卻可以看出兩件事兒：一，空調是個耗能大戶；二，空調在乘用車上是標配，大熱天不開空調就是你不講理。

出於這樣的習慣，電動汽車一出現，空調就是必選項。然而在電動汽車捉襟見肘的那點電量面前，空調實在是一枚奢侈品。電動汽車行業的大牛小牛們，也是為它操碎了心。

今天就把電動汽車空調的相關材料整理一下，放在一起供大家參考。

一、 汽車應用環境對空調的要求

1. 普通空調工作環境一般是室內平坦放置，而汽車空調系統在行進的車輛中工作時，要承受劇烈而頻繁的振動，所以對零部件的抗振動抗衝擊能力要求很高，同時需要較好的系統氣密性能。

2. 普通空調一般工作環境是人員相對較分散，而汽車車內乘坐人員集中，熱負荷較大，需要空調系統瞬時降溫，快速製冷制熱。

3. 普通空調在室內使用時，遮擋物不多，而車內設施較緊湊，同時座椅高低起伏，氣流分配組織困難，難以均勻分布。

4. 高可靠性、高可控性。

5. 節能環保。

6. 車用空調的基本性能要求，詳細可以參看相關標準：

QC/T 656-2000《汽車空調製冷裝置性能要求》

QC/T 657-2000《汽車空調製冷裝置試驗方法》

GB21360—2008 《汽車空調用製冷壓縮機》

二、 電動汽車空調種類

電驅動熱泵式、太陽能供電汽車空調、電動壓縮式製冷和電加熱採暖、冷熱聯合儲能式。

1．電動熱泵式空調系統，電機帶動壓縮機工作，與家用空調工作方式近似，具有冷暖功能。工作效率比較高，但低溫制熱能力受到條件限制，還需要進一步改進。電動熱泵空調，是當前業內的主要研究方向。

2. 太陽能供電汽車空調，由太陽能電池發電，存儲在蓄電池中，作為空調的動力來源，空調其餘工作方式與電動熱泵式相同

3. 電動壓縮式製冷和電加熱供暖空調系統，這種系統是將製冷和制熱分開，由PTC作為加熱裝置，以電動空氣壓縮機製冷。一個明顯缺陷是，PTC熱效率比較低，大約只有壓縮機供暖的50%左右。

4. 冷熱聯合儲能式電動汽車空調系統，在車上安放裝置，儲存本身具備製冷（夏天）或者制熱（冬天）能力的介質，電力只作為這些介質在車內循環的動力。這種方式，製冷或者制熱的能力有限，自身儲存的能力用光後，就必須更換介質，才能重新具備相應能力。介質佔用大量車內空間，不是理想的控溫方式。

三、 電動汽車空調與傳統車空調的區別

傳統汽車空調，由發動機直接帶動壓縮機工作；而電動汽車空調，動力來源是動力電池，通過電動機帶動壓縮機工作。這就帶來了一系列的不同之處。

1. 傳統空調由於直接由發動機帶動，當車速降低時，空調的製冷性能也會隨之下降。停車後，若發動機停轉，則空調無法工作，因而，想要停車使用空調，車輛必須特意為空調保持在怠速狀態。

電動汽車，只要電源保持接通狀態，空調的使用與車輛本身是否行使沒有關係

2. 燃油車，發動機的波動會直接傳導到壓縮機，造成壓縮機效率低下。有文章稱，壓縮機效率好壞的差距可以達到70%。

電動汽車的空調則不存在這個問題，電池電源可以提供穩定的功率支持，使壓縮機保持在最佳工作狀態。

3. 直接以電力作為電源，使得空調控制器可以發揮作用，實現變頻調控，達到精益節能的目的。

空調在電動汽車上使用，比之在傳統燃油車上，效率已經有很大提高，尤其熱泵式空調系統，更是給人們進一步提升效率帶來了希望。

四、 冷暖雙模式電動熱泵空調系統工作原理

電動熱泵式空調系統，作為能量效率高，冷暖功能合一的一種設計，是目前應用較廣的一種電動汽車空調，此處重點講述它的工作原理。

下面是冷暖雙模式熱泵空調原理圖和專業的原理過程表述。

冷暖雙模式熱泵空調原理圖

當熱泵空調系統處於製冷模式下工作，四通閥不通電，低溫低壓製冷劑蒸汽被壓縮機吸入，壓縮為高溫高壓的過熱蒸汽通過過濾器( 過濾壓縮機排出的雜質) 、換向四通閥排至室外換熱器，同時室外側風扇吸入的室外空氣流經室外換熱器，帶走製冷劑放出的熱量，使高溫高壓的製冷劑蒸汽凝結為高壓液體，高壓液體經過膨脹閥降溫降壓後流入室內換熱器，並在相應的低壓下蒸發，吸取周圍熱量，同時室內側風扇使室內空氣不斷進入室內換熱器肋片間進行熱交換，並將放熱後變冷的氣體送入車室內，製冷劑經室內換熱器換熱後變為低溫低壓的氣體並通過換向四通閥、氣液分離器再次進入壓縮機，完成製冷循環。

當熱泵空調系統處於制熱模式下工作，四通閥通電，低溫低壓製冷劑蒸汽經壓縮機壓縮為高溫高壓過熱蒸汽，通過換向四通閥改變流動方向，流入室內換熱器，向車室內空氣放熱，變為低溫高壓液體，高壓液體經過膨脹閥變為低溫低壓氣液混合態，最後經室外換熱器從室外吸熱變成低溫低壓氣體並通過換向四通閥、氣液分離器再次進入壓縮機，完成制熱循環。當環境溫度較低時，利用驅動電機餘熱回收裝置收集驅動電機餘熱通過風道送至室外換熱器，提高室外換熱器周圍環境溫度，從而提高熱泵空調系統低溫制熱效率。

工作原理簡化版

如果感覺原理講的專業名詞太多，下面把上面原理稍作翻譯。

溫控過程開始。整車控制器，按照駕駛員指令，設定空調工作狀態。空調控制器接受整車控制器的指令，切換工作模式。

製冷模式，低溫低壓製冷劑經過壓縮機，被壓縮為高溫高壓的熱蒸汽；熱蒸汽流向室外換熱器，在風扇的助力下，將熱量散發到室外比自己溫度低的空氣中；這樣，高溫高壓的製冷劑變成了低溫高壓的冷凝液體迴流到室內換熱器；經歷蒸發吸熱過程，吸收室內熱量，製冷劑氣化成低溫低壓氣體，循環至壓縮機入口。製冷劑就如同勤勞的小蜜蜂，把熱量從室內一次次的帶到室外去。

製冷過程

制熱過程正好相反，當系統處於制熱模式，低溫低壓氣體被送入壓縮機，被壓縮成高溫高壓熱蒸汽；熱蒸汽流向室內換熱器，散發熱量，製冷劑冷凝成低溫高壓液體；低溫高壓液體，流往室外換熱器，吸收熱量，氣化成低溫低壓氣體，再次來到壓縮機入口。制熱過程中，小蜜蜂是攜帶者熱量，從室外運到室內。

制熱過程

五、電動汽車空調應用趨勢

熱泵式空調，其本質就是熱量在不同空間之間的運輸，換向四通閥和雙向膨脹閥，是冷熱一體化的關鍵部件，也是故障率較高的部件。

熱泵式空調，是目前最理想的汽車控溫方式，但其自身也存在著明顯的局限性。比如效率仍然不算盡如人意，比如低溫制熱性能有待提高等等。

下面引用部分專利說明文檔，從中一窺電動汽車空調的應用趨勢和改進方向。

專利案例1：

公開日2０１２年１１月２１日，申請人：天津三電汽車空調有限公司。

該專利為一項發明專利。常見的汽車空調熱泵系統在處於採暖循環時，車外換熱器作為蒸發器使用，需要吸收外界環境的熱量，因此在車外溫度較低時，車外換熱器溫度與外界環境溫度接近，車外換熱器不能有效地從外界環境吸收熱量，導致系統無法繼續運行。另外，車外溫度較低時，如果空氣中含有較多水分，則空氣中的水分會在車外換熱器表面結霜，結霜後的車外換熱器也不能再從外界環境有效地吸收熱量，導致系統無法繼續提供採暖功能。所以此系統一般在－５℃以下便無法正常工作。本申請為解決上述技術問題而提供一種電動汽車熱泵空調系統，該空調系統具有製冷、採暖、通風和除濕的功能，且在－５℃以下的室外環境下能正常工作。

專利案例2：

公開日２０１４年１０月１日，申請人為：奇瑞汽車股份有限公司。

該專利為一項發明專利。由於新能源汽車需要增加一個電動模式，所以在電動模式時，新能源汽車空調壓縮機無法用傳統的皮帶輪驅動，必須採用新型的壓縮機驅動方式，目前混合動力汽車使用較多方式有兩種，一種是電動及機械雙驅動或電動的壓縮機、冷凝器、蒸發器、加熱器、ＰＴＣ（加熱空氣型）組成，由於該系統採用雙驅動壓縮機從技術及成本方面都較純電動壓縮機複雜，另外採用ＰＴＣ（加熱空氣型）出風比較乾燥，容易使乘客感到不適，並且由於該ＰＴＣ需要集成在ＨＶＡＣ總成內，加熱後的熱空氣直接與殼體接觸，如果表面溫度很高，會對ＨＶＡＣ殼體產生一定安全的隱患；另一種使用陶瓷加熱器取代ＰＴＣ（加熱空氣型），同時增加２個三通閥，該空調系統由於有２個三通閥，成本較大，並且資源也比較緊缺。針對上述現有存在的問題和不足，本專利的目的是提供一種混合動力汽車空調系統及其控制方法，解決不同模式切換過程中空調的舒適性問題。

專利案例3：

公開日２０１５年１月１４日，申請人為：比亞迪股份有限公司。

該專利為一項發明專利傳統的電動汽車空調系統，一般採用汽車熱泵空調系統或者汽車空調製冷系統與ＰＴＣ供熱採暖系統組合的方式來實現整車空調製冷制熱功能，但是上述系統中，空調在製冷與制熱時，製冷劑需要換向，實現換向功能的都是一個四通換向閥，而四通換向閥在汽車上運行時性能很不穩定，在工作時存在換向延遲、換向不到位等問題，從而容易導致製冷劑在空調系統中發生內漏所引起的串流、製冷或採暖延遲等問題。本發明針對上述缺陷，提供一種電動汽車空調系統。

總結

電動汽車空調， 可以熱泵與PTC加熱並聯應用，在環境溫度過低時，啟動PTC作為熱源；也可以把PTC集成到熱泵中去，提高壓縮機進口溫度；或者回收利用電機自發熱，把熱量引入熱泵系統，通過空調釋放到車內空間。

隨著科研成果的應用，冷暖雙模式熱泵空調會逐步成為電動汽車空調的主流。

參考：

1. 熱泵型冷暖一體式空調在電動汽車上的應用

2. 電動汽車空調系統的設計分析

3. 電動汽車熱泵空調系統採暖性能的試驗研究

4. 電動汽車熱泵空調系統設計優化及試驗研究

5. 新能源汽車空調發明專利新技術概述

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